碎石樁復合地基承載力計算探討

張維秀 張元琦

中國石油集團東北煉化工程公司吉林設計院 吉林 132002

碎石樁復合地基承載力計算探討

張維秀 張元琦

中國石油集團東北煉化工程公司吉林設計院 吉林 132002

碎石樁是一種散體材料樁，在石油化工儲罐工程中廣泛使用，是一種經濟有效的地基處理方法。目前碎石樁有多種成樁方法，如振沖碎石樁、振動沉管碎石樁、柱錘沖擴碎石樁等。本文對確定碎石樁復合地基承載力的7種方法從基本假設、計算模型、計算參數、計算公式等方面進行探討，通過工程實例，將7種計算方法的計算結果與實驗結果進行了對比。

碎石樁 復合地基 承載力 地基處理

碎石樁是一種散體材料樁，承載能力由碎石密實度及樁周土體的性狀共同決定，受力狀態與原位橫壓試驗或土的三軸試驗受力狀態類似。當樁周土體對樁的約束力達到極限pl，樁頂荷載達到承載能力極限σ1。碎石樁極限承載力與樁周土體極限約束力的關系：

(1)

式中，σ1為碎石樁極限承載力，kPa；φp為碎石樁樁身碎石內摩擦角，°；pl為碎石樁極限約束力，kPa。

由(1)式可見，確定碎石樁承載力的關鍵在于確定土體對碎石樁的極限約束力pl。

1 計算方法探討

1.1 彈塑性分析法

在文獻1中提出了彈塑性分析法。當樁頂壓力較小時，樁周土體呈彈性狀態。隨著樁頂壓力增大碎石樁側向鼓脹，使周圍土出現塑性區。當碎石樁達到單樁極限承載力時，樁周土體達到極限平衡狀態，在此假設下推導出樁周土體對碎石樁的極限約束力：

pl=2cscosφs/(1-sinφs)+γh(1+sinφs)/(1-sinφs)

(2)

式中，cs、φs為土的抗剪強度指標；γ為土的重力密度，kN/m3；h為計算位置深度，m。

1.2 Brauns法[2]

(3)

式中，σs為樁周土體表面荷載，kPa；δ為滑動面與水平面間的夾角,按下述原則計算：

當σs≠0時按下式：

(4)

當σs=0時按下式：

(5)

1.3 盛崇文法[3]

盛崇文將Brauns法應用到滿堂紅碎石樁情況，推導出土體對碎石樁的極限約束力：

(6)

式中，m為置換率。

1.4HughesWithers計算法[4]

Hughes和Withers在土體極限平衡理論下，推導出土體對碎石樁的極限約束力：

(7)

pl=6cs

(8)

1.5 Wang H.Y計算法[5]

Wang H.Y認為樁周土側向極限約束力就是鼓脹區樁周被動土壓力：

(9)

式中,kps為樁周土體被動土壓力系數。

1.6 被動土壓力法[4]

該法認為樁周土自重應力的被動土壓力就是樁周土側向極限應力：

(10)

1.7 劉杰等計算法[6]

劉杰等假定樁體屈服后，徑向應變與軸向應變比值保持不變，樁體與樁間土屈服遵守摩爾-庫侖準則，由豎向變形相等和側向變形協調條件，推導出碎石樁極限承載力公式：

(11)

式中，Es、Ep分別為土及碎石變形模量，kPa；μs、μp分別為土及碎石泊松比；kx為徑向應變與軸向應變之比，按下式計算：

(12)

2 工程實例

2.1 工程概況

本文采用文獻6中的工程實例和實驗資料，天然地基承載力為60kPa，φs=10°，cs=10kPa，φp=44°，Es=2.41MPa，Ep=21.8MPa，μp=0.4，μs=0.25。采用碎石樁加固，樁長7m，樁徑0.8m，樁間距1.5m，梅花形布置。

2.2 復合地基承載力

2.2.1 彈塑性分析法

破壞段高度為：

hp=2atg(45°+φp/2)=0.8tg(45°+44°/2)=1.89 m

代入式(2)得：

pl=2cscosφs/(1-sinφs)+γh(1+sinφs)/(1-sinφs)

=2×10×cos10°/(1-sin10°)+17.5×1.89×

(1+sin10°)/(1-sin10°)=70.86 kPa

代入式(1)得：

2.2.2Brauns法

經試算得tgδ=1.87 ，δ=61.9°，代入式(1)(3)：

(45°+φp/2)

=(17.5×1.89+2×10/sin2×61.9°)·

=716.90 kPa

2.2.3 盛崇文方法

代入式(1)(6)：

=582.53 kPa

2.2.4 Hughes Withers 計算法

按式(1)(8)

2.2.5WangH.Y計算法

按式(1)(9)：

=[tg2(45°+10°/2)×17.5×1.89+2×10×

2.2.6 被動土壓力法

按式(1)(10)：

=[(17.5×1.89+60)tg2(45°+10°/2)+2×10×

2.2.7 劉杰等計算法

按式(11)：

代入式(11)：

=551.39 kPa

各計算方法計算結果與實驗值對比見表1。

表1 各計算方法計算結果與實驗值 (kPa)

通過以上7種方法計算結果，本工程采用盛崇文方法和劉杰等人方法的計算結果與實測結果最為接近。Brauns法和被動土壓力法計算結果偏大，其他3種方法計算結果偏小。

3 結 語

碎石樁機理分析尚有很多工作要做，目前關于承載力計算方法很多，但都是在一定假定前提下推導出來的，應積累更多工程經驗，確定本地區適用的分析方法。從本文采用的7種計算方法的結果來看，采用盛崇文方法和劉杰等人方法與實測結果最為接近。

1 張維秀.碎石樁機理分析及單樁承載力計算[J].石油化工設計,2007.24(1).

2 盛崇文.振沖水沖技術加固技術縱論與展望[M].軟土加固新技術,北京：水利電力出版社，1984.

3 盛崇文.軟土地基用碎石樁加固后的極限承載力計算[J].水利水運科學研究.1980.6(2).

4 何廣訥. 振沖碎石樁復合地基[M].北京：人民交通出版社，2001.

5 Wang H.Y.Vibroflotation-Its Effect on Weak Cokesive Soils[J]. Civil Engineering, April 1975.

6 劉 杰、張可能.碎石樁復合地基若干問題的理論分析[J].鐵道工程學報,2003.6(2).

2016-07-26)

*張維秀：研究員、國家一級注冊結構師、注冊巖土工程師、英聯邦結構工程師(StructE)。1989年畢業于南京水利科學研究院。從事結構設計工作。聯系電話：(0432)63959402，E-mail: Jly_zwx0247@petrochina.com.cn。